BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Đề tài: QUY TRÌNH SẢN XUẤT XANTHAN GUM GVHD: Nguyễn Thị Thu Sang Nhóm 2_lớp 11CDTP1 Nguyễn Thị Phương Dung 3005110049 Nguyễn Thị Thùy Dương 3005110041 Nguyễn Thị Oanh 3005110218 Võ Lan Phương 3005110228 Huỳnh Thị Phương Dung 3005110047 Tp.HCM, tháng năm 2014 Lời mở đầu Xanthan gum polysaccharide sinh tổng hợp từ vi sinh vật Có nhiều loại polysaccharide sinh tổng hợp vi sinh vật alginate, curlane, dextran, gellan, glucan, pullulan xanthan Trong số loại xanthan gum có vai trị vượt trội có tính định hướng, ứng dụng nhiều Đối với ngành thực phẩm, nhu cầu gum tự nhiên có xu hướng giảm xuống, xanthan lại có xu hướng tăng Để hiểu tính chất, ứng dụng chế tổng hợp nên xanthan gum nhóm chúng em xin tìm hiểu “Quy trình sản xuất xanthan gum” Tuy nhiên với số lượng khổng lồ kiến thức biết nên việc lựa chọn kiến thức phù hợp khơng tránh khỏi thiếu sót Nhóm chúnng em mong nhận ý kiến đóng góp cơ, để lần sau nhóm em viết tiểu luận đạt kết cao Mục lục Tổng quan xanthan gum 1.1 Giới thiệu xanthan gum 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Lịch sử đời xanthan gum: 1.1.3 Cấu tạo tính chất 1.1.4 Tính chất 1.2 Tình hình sử dụng số loại polysaccharide 1.3 Nguyên liệu sản xuất xanthan gum 1.3.1 Vi sinh vật 1.3.2 Nguyên liệu khác: 11 Quy trình sản xuất xanthangum 15 2.1 Nhân giống 17 2.2 Chuẩn bị môi trường lên men 18 2.3 Thanh trùng môi trường lên men 19 2.4 Lên men 19 2.5 Thanh trùng 25 2.6 Tách vi sinh vật 26 2.7 Kết tủa 27 2.8 Tách nước 29 2.9 Sấy 29 2.10 Nghiền 31 2.11 Đóng gói 32 Sản phẩm 32 3.1 Một số sản phẩm xanthan gum có thị trường 32 3.2 Chỉ tiêu chất lượng xanthan gum 33 3.3 Ứng dụng 35 Quy trình sản xuất xanthan gum Tổng quan xanthan gum 1.1 Giới thiệu xanthan gum 1.1.1 nhóm Khái niệm Xanthan gum polysaccharide sử dụng phụ gia thực phẩm chất điều chỉnh lưu biến Là sản phẩm lên men glucose saccharose vi khuẩn Xanthomonas campestris Xanthomonas campestris loại vi khuẩn gây bệnh mục đen cải, hoa lơ loại rau mỏng khác 1.1.2 Lịch sử đời xanthan gum: Cách lâu, người tìm hiểu lồi Xanthomonas sản xuất khối sền sệt Cuối năm 1950, xanthan phát minh Northern Reaseach Center (NRRC), Peoria, Illinois Bà Allene Rosalind Jeanes cộng bà Viện Nông Nghiệp Hoa Kỳ (United States Department of Agriculture) tổ chức kiểm tra lồi vi sinh vật có khả sản xuất loại gum tan nước, số đó, xanthan polysaccharide tổng hợp phương pháp sinh học mà có tiềm ứng dụng lớn so với loại gum tan nước sản xuất phương pháp tự nhiên Đầu năm 1960, xanthan trở thành sản phẩm thương mại công ty Kelco với tên thương mại Kelzan (theo Whistler) khơng thích hợp cho thương mại đến năm 1964 Năm 1969, xanthan tổ chức FDA (the American Food and Drug Administration) cho phép sử dụng làm phụ gia thực phẩm sau nghiên cứu thử nghiệm động vật Nó phép sử dụng nước: Hoa Kỳ, Canada, Châu Âu (1982) Số kí hiệu E415 Các công ty sản xuất xanthan tiếng: Merck, Pfizer Kelco Mĩ, Rhône Poulenc Sanofi-Elf Pháp, Jungbunzlauer Úc Quy trình sản xuất xanthan gum 1.1.3 nhóm Cấu tạo tính chất 1.1.3.1 Cấu tạo 1.1.3.2 Cấu tạo phân tử Xanthan bao gồm cụm gốc đường lặp lại, cụm gồm gốc đường D - glucose, gốc đường D - mannose, gốc đường D - glucoronate gốc acetate, pyruvate với số lượng thay đổi Mỗi cụm đơn vị mạch chuỗi polysaccharide bao gồm gốc β – D – glucose, liên kết với liên kết β – 1, glycoside Yếu tố giống với cấu trúc cellulose Mạch nhánh gồm gốc glucoronate nằm liên kết với gốc mannose Vị trí thứ gốc D-glucoronate liên kết với vị trí thứ hai gốc D mannose, cịn vị trí thứ tư gốc D-glucoronate liên kết với vị trí thứ gốc mannose khác Mạch nhánh liên kết với mạch vị trí thứ gốc cellulose mạch vị trí thứ gốc mannose mạch nhánh Khoảng nửa số gốc mannose cuối có nhóm acid pyruvic liên kết nhóm ketal tạo vịng vị trí – gốc mannose Gốc mannose lại liên kết với acetyl vị trí thứ Xanthan gum chứa ion dương hóa trị Na, K Mạch nhánh mạch thẳng xoắn chặt với tạo thành hình dạng bền chặt Hình 1.1: Cấu trúc đơn vị cuả xanthangum Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm 1.1.3.3 Khối lượng phân tử: Có thể từ 0.9 triệu đến 1.6 triệu Dalton, phụ thuộc vào nguồn vi sinh vật điều kiện thực q trình lên men Đơi khối lượng phân tử xanthan lên đến 13 - 50 triệu Dalton Hình 1.2 cấu tạo xanthan gum 1.1.3.4 Trạng thái phân tử: Xanthan phân tử sinh học xoắn đôi không đối xứng Mạch nhánh mạch thẳng xoắn chặt với tạo thành hình dạng bền chặt Các phân tử co lại hình xoắn ốc kép hình thành nên cấu trúc đặc quánh, gặp số điều kiện bị duỗi mạch làm thay đổi tính chất Mạch mạch bên bảo vệ nên làm cho xanthan tương đối bền với acid, kiềm enzyme 1.1.3.5 Thành phần cấu tạo Acid pyruvic thành phần quan trọng tác động đến khả hòa tan nước polymer Thành phần acid pyruvic xanthan khác phụ thuộc vào chủng Xanthomonas campestris (có chủng sản xuất hàm lượng acid pyruvic cao, có chủng lại sản xuất với hàm lượng thấp), điều kiện lên men điều kiện thu hồi sản phẩm Bảng 1.1 Thành phần % D – glucose, D – mannose, D – glucuronic acid, Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm pyruvate, acetate polysaccharide số chủng vi khuẩn khác tạo Vi khuẩn D Ma Glucur ate X.campestris X.vasculorum 30,1 34,9 27, 30, 14,9 17,9 7,1 6,6 6,5 6,3 X.faseoli X.juglandis X.gummisuda 1.1.4 D- Gluc ns D - – Pyruv Aceta 30,9 33,2 34,8 28, 30, 30, 15,3 16,8 16,5 1,8 6,9 4,7 6,4 6,4 10 X.fragaria 24,6 26, 14 4,9 5,5 te Tính chất 1.1.4.1 Tạo dung dịch có độ nhớt Khi hịa tan nước, bị hidrate hóa cách nhanh chóng, khơng bị đóng cục tạo dung dịch có độ nhớt cao Xanthan gum có độ nhớt cao Dung dịch có nồng độ khoảng 1% có độ nhớt xấp xỉ 1000 cP đo 60 v/ph với thiết bị đo độ nhớt Brookfield model LVF 250C Ảnh hưởng muối: độ nhớt không bị ảnh hưởng thêm lượng lớn muối, 250 g/l dung dịch NaCl làm tăng không đáng kể độ nhớt dung dịch xanthan 1.1.4.2 Tính tương hợp xathangum: Với alcohol Tuy xanthan khơng hịa tan trực tiếp alcohol lại có khả tương thích với Những sản phẩm có chứa xanthan cơng thức thành phần thường chiếm đến60% dung môi alcohol ethanol Ta sử dụng tính chất để làm cho cocktail, rượu cómùi chocolate trở nên đặc Với loại enzyme Hầu hết dung dịch keo bị thối hóa giới hạn bới enzyme có mặt thực phẩm cellulase, pectinase, amylase, protease Tuy Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm nhiên, xanthan khơng bị thối hóa bới chúng Khả kháng lại tác động enzyme xắp xếp nhánh nhánh phụ, xắp xếp chống lại tác động enzyme lên liên kết 1,4 nhánh Nhờ mà ngăn cản ngưng trùng hợp enzyme, acid kiềm Ứng dụng thực tế, khả xanthan chống lại tác động enzyme sử dụng số sản phẩm thực phẩm bánh mứt táo, thực phẩm có chứa tinh bột, gia vị trộn… 1.1.4.3 Gel thuận nghịch nhiệt độ: Gel tạo thành làm nguội hỗn hợp Xanthan gum trạng thái keo thực chuyển đổi cấu hình xoắn ốc đôi thành chuỗi đơn cách luyện nhiệt độ 40 - 800C Ở cấu hình chuỗi đơn, mạng lưới liên kết yếu đi, hình thành nên trạng thái giả dẻo (pseudoplastic) làm giảm độ nhớt dung dịch Xanthan gum có khả kết hợp với nhiều chất tạo gel, tạo sệt khác locust bean gum, konjac, guar gum 1.1.4.4 Khả hydrat hóa Sự diện chuỗi tích điện âm phân tử xanthan gum làm tăng khả hydrate hóa tạo nên dung dịch xanthan nước lạnh Xanthan gum chất háo nước, tan nước nóng nước lạnh Điều kiện lạnh đơng/rã đơng: nhờ khả liên kết với nước nên dung dịch xanthan gum bền lạnh đông rã đơng 1.2 Tình hình sử dụng số loại polysaccharide Có nhiều loại polysaccharide sinh tổng hợp vi sinh vật alginate, curlane, dextran, gellan, glucan, pullulan xanthan Trong số loại xanthan có vai trò vượt trội dễ dàng sản xuất ứng dụng nhiều Thực vậy, dần sử dụng nhiều thực phẩm việc tạo chất độn cho mỹ phẩm Trong công nghiệp polysaccharide xanthan đại diện phát triển nhanh Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm Đối với ngành thực phẩm, nhu cầu gum tự nhiên có xu hướng giảm xuống, xanthan lại có xu hướng tăng lên Khoảng 20.000 xanthan sản xuất theo phương pháp công nghiệp từ giống vi khuẩn X campestris năm Nhu cầu tiêu thụ xanthan toàn giới khoảng 23 triệu kg/ năm dự đoán tiếp tục tăng lên 5-10% theo năm 1.3 Nguyên liệu sản xuất xanthan gum 1.3.1 Vi sinh vật 1.3.1.1 Giống vi sinh vật Xanthan sản xuất từ vi khuẩn Xanthanmonas campestris cô lập từ cải bắp, loại vi khuẩn gây bệnh nấm cho có màu đen Hình 2.1 Vi khuẩn Xanthomonas campestris Hình 2.2 Cải bắp nhiễm vi khuẩn Xanthomonas campestris 10 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm lipopolysaccharide khỏi màng bên ngoài, đây, chất cung cấp lượng ATP Có điểm cần ý có nhiều gene ảnh hưởng đến tổng hợp xanthan Ở vi khuẩn Xanthomonas campestris tổng hợp xanthan điều khiển nhóm 12 gen từ gen B đến gen M Trong nghiên cứu Xanthomonas campestris, sử dụng transposon mutagenesis, Harding phát có nhóm gene liên kết với chúng đóng vai trị enzyme mã hố cho q trình lắp ráp pentasaccharide Nhóm gene phân lập phân tích Thorne, Vanderslice đồng sự, xếp theo trình tự AND bao gồm 12 gene, có gene cần cho vận chuyển monosaccharide đơn vị lặp lại nhóm acyl Những gene cần thiểt cho q trình acyl hố xanthan cịn kiểm nghiệm kĩ bở Marzocca đồng Một chất quan trọng khác việc hình thành nên tính di truyền học Xanthanmonas có mặt gene xanA xanB Những gene cho có liên quan đến sinh tổng hợp UDP – glucose GDP – mannose Gần đây, chúng cho gen mã hoá UDP – glucose pyrophosphorylase (cần thiết cho sinh tổng hợp xanthan) Trên thực tế, qua phân tích gene xếp AND, có khoảng 20 gene thích hợp  Thiết bị lên men: Xanthan sản phẩm thương mại, thực trình lên men tĩnh truyền thống bình lên men có động khuấy (STR – stirred tank rate) Bình lên men có cánh khuấy nhằm mục đích cung cấp oxy cho canh trường, nhiệt độ giống cấy phải điều khiển Dung dịch đệm phosphate dung dịch đệm khác phù hợp bổ sung vào mơi trường dinh dưỡng để trì pH ổn định canh trường khoảng Bình lên men trang bị hệ thốnh vô trùng, khuấy, điều kiện hiếu khí, đièu chỉnh nhiệt độ, pH, bọt, mức độ hồ tan oxy Mơi trường lên men trước cho vào thiết bị phải trùng Sau giống vi khuẩn cấy vào 24 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm khoảng 5% - 10% thể tích mơi trường Mơi trường dinh dưỡng u cầu phải có muối khống (P, K, S, Mg, Ca…), ngun tố vết, glucose carbohydrate, nguồn nitơ NH4Cl NH4NO3, cần thiết phải bổ sung thêm yếu tố sinh trưởng, gồm vitamin acid amin cần thiết Nguồn nitơ dùng dịch chiết nấm men, dịch men tiêu hóa…  Thơng số thiết bị lên men tĩnh: - Tốc độ khuấy cho phép: 1000 – 2000 v/ph, tốc độ tối ưu: 500 – 1000 v/ph - Tốc độ sục khí: 0,2 – vvm, tối ưu: 0,5 – vvm - Nhiệt độ lên men: 20 – 350C, tối ưu: 25 – 300C - Thời gian lên men: 96h - pH: 5,5 – 8, tối ưu: 6,4 – 7,4 - Oxy hồ tan: bão hịa 10% - 90%, tối ưu: bão hoà 20% - 60% 2.5 Thanh trùng Mục đích: chuẩn bị sau giai đoạn lên men, xanthan thu nhận qua trình xi dịng Canh trường sau lên men phải trùng nhằm mục đích tiêu diệt hết tế bào vi khuẩn Xanthanmonas chuẩn bị cho trình nhằm tách vi sinh vật kết tủa xanthan Biến đổi: - Sinh học: vi khuẩn Xanthanmonas lại canh trường bị tiêu diệt - Hoá lý: độ nhớt giảm nhiệt độ tăng hết Thiết bị: dùng thiết bị trùng hình trụ có cánh khuấy Thiết bị gồm ống hình trụ đồng trục đường kính khác Trên trục có cánh khuấy chắn thẳng đứng tháo lắp được, trục nối với motor truyền động 25 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm Canh trường bơm vào ống bên từ phía đáy tháo phía đỉnh Ngược lại chất tải nhiệt nạp từ đỉnh vào khoảng không gian hai ống trụ đáy Cánh khuấy chắn quay, giúp truyền nhiệt nhanh tốt Thông số công nghệ: - Nhiệt độ: 700C - Thời gian: 30 phút - Xanthanmonas nhạy với nhiệt độ khơng có khả sinh bào tử nên cần trùng đủ Tuy nhiên cần ý tới điểm nhiệt độ chuyển tiếp Tm phá hủy chuỗi polymer Ở Tm vào khoảng 1000C, nhiên thay đổi theo chiều dài chuỗi polymer tỉ lệ hàm lượng pyruvate acetate 2.6 Tách vi sinh vật Mục đích: chuẩn bị, sau trùng canh trường lên men phải lọc bỏ hết tế bào vi khuẩn Xanthanmonas, chuẩn bị cho trình kết tủa xanthan Biến đổi: dung dịch hơn, tách phần cặn Phương pháp: người ta dùng phương pháp ly tâm để tách trình tách dễ dàng thường tiến hành pha loãng canh trường lên men để giảm độ nhớt Ngồi tách cách khác, sử dụng hố chất enzyme tiêu hố Tuy nhiên cách sản phẩm xanthan thu bị lẫn mảnh vụn vi khuẩn làm giảm khả hoà tan Sản phẩm thu cách dùng dầu khí Thiết bị: máy ly tâm 26 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm Nguyên tắc hoạt động: dựa vào chênh lệch khối lượng riêng xác vi sinh vật dịch lên men Sử dụng thiết bị ly tâm có chén xoay dạng Cấu tạo thiết bị bao gồm chén xoay dạng côn quay quanh trục thẳng đứng Tất đặt vỏ cố định Nguyên liệu vào đáy chén xoay Dưới tác dụng lực ly tâm, huyền phù mà tế bào vi khuẩn di chuyển thành chén xoay bám Phần dung dịch có chứa xanthan di chuyển lên phía chảy tràn ngồi vỏ Khi bã dày, thiết bị ngừng hoạt động, lớp bã tách dao hay tháo cửa xả đáy chén xoay Thông số công nghệ: -Gia tốc li tâm: 8000.g -Nhiệt độ dịch ban đầu: 70oC 2.7 Kết tủa Mục đích: chuẩn bị cho trình tách nước Phương pháp: - Sau lọc bỏ hết vi khuẩn canh trường sau lên men, xanthan thu nhận cách làm cho chậm trình hoà tan cho kết tủa cách thêm vào hợp chất hữu tan nước, acetone, alcohol, dioxane, 27 Quy trình sản xuất xanthan gum nhóm tetrahydrofuran, muối acid, tùy trường hợp cụ thể Thường dùng thêm ethanol isopropanol Acohol sau thu hồi hệ thống chưng cất để tái sử dụng - Việc thêm muối làm tăng khả kết tủa nhờ cation muối liên kết với gốc tích điện âm có canh trường - Thu nhận xanthan gum quy trình phức tạp tốn độ nhớt cao kể nồng độ thấp, làm cho q trình vận chuyển, xử lý gặp nhiều khó khăn Do đó, chất hố học hỗ trợ thêm vào để tăng hiệu - Một số cách giải cho vấn đề giảm lượng chất cần thiết thêm vào trình kết tủa xanthan gum nhằm nâng cao hiệu suất trình sản xuất:  Tăng nồng độ xanthan gum dung dịch, bao gồm polysaccharide tan  Thêm vào catinon nhiều hoá trị, chất điều chỉnh pH Nhược điểm tăng nồng độ xanthan gum làm cho độ nhớt dung dich tăng lên nhanh (chỉ cần nồng độ